輸水隧洞的支護結構及圍巖穩定性分析

楊曉瑩

（遼寧省水利水電勘測設計研究院，遼寧沈陽110006）

輸水隧洞的支護結構及圍巖穩定性分析

楊曉瑩

（遼寧省水利水電勘測設計研究院，遼寧沈陽110006）

隧道開挖引起應力的重新分布，出現應力集中、圍巖變形等問題，產生圍巖穩定問題，而隧道支護是解決圍巖穩定問題的重要措施之一。本文結合觀音閣引水工程隧道支護方案，分析了錨網噴支護結構的工作機理，并通過數值模擬的方法，驗證了錨網噴支護對提高圍巖穩定性的效果。

輸水隧洞；支護結構；錨網噴支護；穩定性

1 概述

1.1 工程概況

觀音閣引水工程隧道的圍巖地質條件較差，隧道圍巖主要為炭質泥巖和泥質粉砂巖，整個洞身段劃分為Ⅲ類圍巖，進、出口段圍巖為Ⅳ類。由于單一的支護型式效果不理想，所以采用錨網噴聯合支護方式。

1.2 錨網噴加固機理

巷道洞室開挖必然破壞原有的應力平衡，引起巷道圍巖應力的重新分布，個別區域出現應力集中現象，如果集中應力超過圍巖的強度，圍巖就會出現塑形變形，釋放部分的應力，這時圍巖并不是完全喪失承載能力，還存在殘余強度，需要及時進行巷道支護。錨網噴加固機理是將圍巖看作連續介質，在受到圍巖應力重新分布以后，選擇巷道塑形變形能量釋放的最佳支護時間，封閉節理，把破碎的圍巖結合起來，利用錨網噴加固使得所形成的薄壁混凝土結構與圍巖形成一個統一的整體，承受自重和上部的山巖壓力作用，抑制圍巖變形，充分發揮圍巖的自承能力，提高圍巖自穩能力。

2 支護設計

錨桿主要對隧道頂部的巖體圍巖松動圈進行錨固，防止垮落。噴射混凝土的作用是及時把圍巖封閉，并起到隔離水的作用，鋼筋網主要是支承錨桿之間的圍巖，將單個錨桿聯結成整個錨桿群，和混凝土一起形成薄壁混凝土支護圈。錨噴網聯合支護允許圍巖有一定的變形，支護性能符合對隧道地質條件差的一次支護要求，提高圍巖的巖石強度，保持圍巖的穩定性。

2.1 錨桿選取

影響錨桿支護效果的主要因素有錨桿的承載能力、長度、排列間距、錨桿安裝角度以及圍巖條件等。設計錨桿支護時應綜合考慮各方面因素，錨桿必須具有足夠的強度，才能在圍巖應力變形時保持圍巖穩定，不會出現錨桿破裂的現象；根據錨桿的懸吊理論，錨桿端頭應固定在穩定巖體內；錨桿安設的間距應保證整個隧道圍巖都處于錨桿兩端所形成的壓力拱內；錨桿安裝角度應避免錨桿與節理裂隙面平行，而使錨桿喪失支護作用；根據圍巖實際條件，與支護施工工藝相結合，調整錨桿規格，發揮錨桿支護效果。

錨桿類型多種多樣，應根據實際工程地質條件以及圍巖應力計算結果選取錨桿參數，本工程選取能夠快速施工的水泥砂漿錨桿，增設墊板和錨桿頭，提高支護效果。頂板錨桿和幫錨桿長度都選取2m，錨桿分布間距為1m，直徑為22m m。

2.2 噴射混凝土和掛鋼筋網的參數

隧洞支護按照《水工隧洞設計規范》SL 279-2002有關條文，以最小覆蓋厚度為標準，計算公式為：

式中γW—水的重度，kN/m3，取10；γr—巖體重度，kN/m3，取23；D—最小覆蓋厚度，m；H—最大內水壓力水頭，取89m；K—經驗系數，K =1.1；α—坡面傾角，α＞45°時取45°。

通過計算分析，可得壓力洞最小覆蓋厚度為60.2m，覆巖厚度小于這一標準的地段需要進行特殊工程處理，洞項覆蓋土層厚度小于這一標準的洞段（0+603.72～0+756.65m）也要采取工程措施，內襯鋼管，隧道其他洞段采用混凝土襯砌。

工程全部采用C 25混凝土，對于不同圍巖類型采取不同的支護施工方案，見表1。

受到社會經濟大環境的影響，部分教工黨員缺乏自身政治學習的觀念，在個人的理想信念和價值觀念上認識模糊，放松了個人的理論知識的學習，及弱化了個人的組織紀律性。教工黨支部在提高教工黨員政治理論素質、增強黨性觀念、堅定理想信念的教育貫徹方面仍做得不夠透徹。

表1 不同圍巖類型所采取的不同支護施工方案

3 輸水隧洞圍巖穩定性分析

輸水隧洞圍巖穩定性分析采用數值模擬軟件F L A C D 3D進行，模擬輸水隧道未錨噴（工況一）和錨噴（工況二）的圍巖塑性區分布，以及圍巖灌漿圈最大主應力和最小主應力的分布圖，巷道一次開挖成功，隧道壁施加應力擾動載荷，分析了兩種情況下的圍巖穩定情況。洞身為圓形，直徑Φ 3.6m。見圖1。

圖1 洞身段支護結構示意圖

各材料力學參數見表2。

表2 各材料力學參數

3.1 圍巖應力

隧道圍巖應力計算公式有平衡拱理論、太沙基理論、圍巖壓力系數法以及鐵道部隧道規范法，相比較而言，平衡拱理論易于理解和計算，也適合本工程的地質條件，因此選用平衡拱理論進行圍巖壓力計算。平衡拱理論認為在巷道洞室開挖以后，洞室頂部巖石在山巖壓力的作用下會逐漸垮落，最終形成一個拱型。如側壁穩定，拱高會隨著巖石的垮落而逐漸增加，反之兩者都會同步增加。圍巖壓力的形成主要是由于平衡拱與襯砌間的破碎巖體重量。

洞側壁穩定時，洞頂圍巖壓力計算公式為：

其中：ρ為巖體密度，g為重力加速度；

參照松動圈理論，本工程圍巖壓力計算Ⅳ類圍巖平衡拱高150c m，Ⅴ類圍巖取取200c m。

平衡拱高計算公式為：b=h×f

對于本工程洞身I V類圍巖平衡拱半跨b=h×f =150×3.0=450.0c m，拱面積為963.4c m2。

隧道進出口V圍巖平衡拱半跨b=h×f=200× 2.43=486.0c m，拱面積為1082c m2。則I V類圍巖的平衡拱圍巖壓力為：

V類圍巖平衡拱壓力計算：

3.2 載荷計算

隧洞混凝土襯砌段結構受力分析：基本荷載組合：山巖壓力+襯砌自重+外水壓力+內水壓力。具體計算結果見表3。

表3 隧道混凝土襯砌內力計算結果表

3.3 模擬計算網格

計算范圍為實際結構的一半，超過計算邊界到隧洞距離的三倍。邊界約束條件為上邊界自由，其余邊界為單連桿約束，見圖2。

圖2 計算網格

3.4 模擬結果

工況一和工況二的屈服區分布，如圖3所示：

圖3 工況一和工況二的屈服區分布

工況一和工況二灌漿圈最大主應力、最小主應力如圖4、圖5所示。

3.5 分析計算結果及穩定性分析

隧道斷面本身的圍巖強度低、巖性差，如不施加錨噴灌漿支護，洞壁附近會出現大面積的屈服失穩情況，屈服區域集中在頂底板60度范圍內，深度在0.6～1.6m。施加錨噴灌漿支護之后，圍巖強度得到了大幅度提升，在相同的應力水平變化下，屈服面積大大縮減，圍巖穩定性得到了保證。

4 結論

錨網噴聯合支護是現今地下隧道支護應用較為普遍的柔性支護方式，能將被動支護轉化為主動支護，圍巖與支護結構共同承載圍巖壓力。其支護作用效果可以概述為以下幾方面：

圖4 工況一最大主應力、最小主應力

T V 672

A

1672-2469（2015）06-0065-03

10.3969/j.i s s n.1672-2469.2015.06.022

楊曉瑩（1979年—），女，工程師。